关注公众号，点击公众号主页右上角“ · · · ”，设置星标，实时关注汽车半导体最新资讯
双重图形技术是将193nm浸没式光刻延伸至关键尺寸<45nm的芯片制造关键技术。与非线性双重曝光技术不同，双重图形技术不存在材料与产率方面的问题，已广泛应用于先进半导体制造。双重图形技术采用不同的工艺技术，通过单次或两次独立曝光实现图形转移。该技术可以很方便地推广到三重或四重图形技术，但会增加成本。通过顺次进行两次相互独立的光刻与刻蚀，可将密集线空图形转移到基底材料上，这是最直接的方法。下图展示了光刻--刻蚀--光刻--刻蚀(LELE)的工艺流程。该工艺目的就是在多晶硅片的氧化硅层上形成密集的线空图形。使用硬掩模可方便地将图形转移至下层。硬掩模与基底材料之间的刻蚀选择性通常会明显优于光刻胶与基底材料之间的刻蚀选择性。通过化学气相沉积(CVD)，可沉积SiN、SiON和TiN等无机硬掩模材料。旋涂碳(SOC)等有机硬掩模材料是一种含碳量很高的聚合物，可以作为备选材料，提升平坦化能力。硬掩模不仅可用于LELE中，也常用于许多先进半导体制造工艺中。LELE工艺首先执行旋转涂胶和标准光刻工艺。光刻工艺在光刻胶中产生半密集图形，然后通过刻蚀将光刻胶图形转移到硬掩模上。接下来将光刻胶剥离，进行第二次图形工艺。第二次图形化工艺也从旋转涂胶开始。第二次光刻采用的掩模图形为位置发生偏移后的掩模图形，在刚刚形成了图形的硬掩模上(光刻胶中)形成半密集图形。该图形与第一次光刻产生的半密集图形会错开一定的位置，将硬掩模上图形的密度翻倍。剥离光刻胶，将硬掩模上的图形转移到下层的氧化物层中，完成整套工艺。![]()
光刻-冻结-光刻-刻蚀(LFLE)工艺，有时也被称为光刻-硬化-光刻-刻蚀(LCLE)或光刻-光刻-刻蚀(LLE)。与LELE相比，LFLE减少了一步刻蚀工艺，降低了成本。典型的工艺流程如下图所示。该工艺首先执行标准光刻工艺，形成半密集光刻胶线条图形。与LELE工艺不同，这些光刻胶线条图形不会被转移到下层中，而是会被特殊处理，即冻结处理。经过冻结处理后，光刻胶线条对第二次光刻工艺不敏感。冻结工艺用到表面固化剂或热固化光刻胶。另外，也可以采用波长为172nm的光对某些光刻胶材料进行泛曝光，使之失去活性。冻结步骤后，在已冻结的光刻胶上再次旋涂光刻胶。对新旋涂的光刻胶进行曝光，将偏移后的线条图形曝光在光刻胶内，随后显影。第二次光刻工艺不会清除第一步冻结的光刻胶。这样，第一次冻结住的光刻胶线条和第二次显影后的光刻胶线条组成了后续用于刻蚀工艺的掩模。通过刻蚀工艺将图形转移到氧化硅层。最后剥离所有的光刻胶。LFLE的工艺步骤比LELE少，因此它的成本低、产率高，对设计的灵活性和套刻控制的需求与LELE相似。实际制造中，需要综合考虑LFLE两次光刻工艺之间及其与冻结步骤之间的相互影响。这些相互影响包括：第二次曝光过程中，第一次光刻形成的光刻胶图形对光的散射，第一次光刻胶固化过程中的形貌变化;第一次光刻工艺形成的光刻胶图形对第二次光刻胶旋涂工艺的影响;第一次光刻及固化工艺对BARC性能的影响;第二次光刻工艺使得第一次旋涂的部分光刻胶发生脱保护和显影反应;光刻胶之间的混合和扩散等等。![]()
如下图所示，自对准双重图形(SADP)技术使用光刻胶作为牺牲层，在其左右两侧生成一对间隔层。首先使用标准的光刻工艺制作半密集线条。然后，通过化学气相沉淀(CVD)将间隔层材料(例如SiN)均地沉积到光刻胶上。随后，采用各向异性刻蚀去除间隔层材料。除了附着在牺牲层图形侧上的材料之外，其余的间隔材料都被刻蚀清除。最后，选择性地清除光刻胶材料，用余下的间隔层作为掩模对基底进行刻蚀。SADP仅含一次光刻步骤，因此不会受到两次光刻之间套刻误差的影响。但是，间隔层材料的间距会受牺牲层图形(也被称为芯轴图形，mandrel)的关键尺寸(CD)和侧壁均匀性的影响。芯轴图形CD的变化将改变间隔层图形的周期，该现象称为周期摆动(pitchwalking)。下图5.所示的工艺步骤也可以应用于具有其他几何形状的牺牲层图形。沿着光刻形成的芯轴图形的侧壁形成间隔层，通过修剪曝光选择性地去除某些间隔层图形，可提高设计的灵活性。两次SADP工艺使得光刻图形的周期进一步减小。将第一次SADP形成的间隔层作为第二次SADP的芯轴层，可实现自对准四重图形(SAOP)技术。该技术分别对光刻胶的高剂量曝光区和低剂量曝光区进行显影，可将图形周期缩小一半以上。下图描述了DTD的基本原理。利用线空图形对光刻胶曝光。光刻胶中酸的浓度介于最低值(蓝色)和最高值(红色)之间;第一次后烘(PEB，图中未显示)触发了脱保护反应，使得光刻胶可溶于碱性显影液，随后进行第一次正显影，形成的沟道具有与掩模版图相同的周期。第二次显影是负显影，采用有机溶剂制备出位置交错的沟道图形。刻蚀工艺将频率翻倍后的光刻胶沟道图形转移到下层中，最后清除光刻胶。DTD是另一种形式的自对准双重图形技术。该技术最吸引人的一点是整个工艺可在涂胶显影机上完成。与SDDP技术类似，该技术也受到设计图形的限制。DTD工艺的效果不仅受光刻胶材料的影响，还取决于第二次后烘过程中脱保护反应后产生的形貌。第二次后烘发生在第一次正显影之后。在第一次显影后增加一次过曝光工艺，可以提高光酸水平，并提高第二次显影后的光刻胶形貌质量。虽然该技术有许多吸引人的特性，但它还仅停留在实验室阶段，尚未用于商业半导体制造领域。前面的例子中介绍了几种已在半导体制造中获得应用的重要双重图形技术。除此之外，双重图形技术还包括双极性光刻胶与自限酸扩散周期拆分技术。不同双重和多重图形技术的工艺复杂度不同，对芯片设计的影响也不同。LELE和LFLE包括两次光刻曝光。需要将两次曝光的图形准确对准。由于两次光刻之间的套刻误差会形成CD误差，所以双重图形技术提高了对光刻机套刻精度的要求。尽管LELE和LFLE可以应用于较为复杂的版图，但版图拆分的难度仍然很大。双重图形技术与光学邻近效应修正技术相互影响，增加了芯片设计的复杂度。相比于其他双重图形技术，LELE需要多次光刻和刻蚀，增加了工艺时间和成本。LFLE仅需一次刻蚀，所有工艺步骤都可以在涂胶显影机上完成，但由于需要用到两种不同的光刻胶，该技术增加了工艺步骤。这些工艺之间相互影响，需要准确地表征并加以控制。SADP/SAQP和DTD都是自对准双重图形技术，它们仅需一次光刻曝光，降低了对套刻的要求。这些技术都会对设计版图带来一定限制，并有可能需要增加其他曝光才可以形成最终的图形。将SADP/SAQP与剪切掩模结合使用，可用于制备逻辑电路图形，但同样提高了对套刻精度的要求。SADP还要求逻辑电路要采用网格化设计，图形只能在同一方向上。双重/多重图形技术对工艺的需求和兼容性已经得到了大量的实验验证和研究。双重/多重图形技术特别是SADP/SADP和LELE，已经在先进制造工艺中获得应用借助多重图形技术,DUV光刻可以制备小于20nm的图形，但工艺成本也明显增加，并提高了对套刻精度控制的要求。目前人们已开发了适用于多重曝光/图形技术的数学框架，可以只研究套刻控制以及套刻带来的影响。结合双重图形技术，EUV光刻技术可以制备特征尺寸小于10nm的图形，进一步提高了先进光刻的技术水平。参考文献：Optical and EUV Lithography:A Modeling Perspective (Andreas Erdmann)；半导体先进光刻理论与技术（Andreas Erdmann，李思坤）
来源：光学与半导体综研
![]()
【免责声明】文章为作者独立观点，不代表汽车半导体立场。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系汽车半导体进行删除或洽谈版权使用事宜。
